多组分纤维配比工艺对车用衣帽架性能的影响

缪 特，冯 阳，张如全*



多组分纤维配比工艺对车用衣帽架性能的影响

缪 特1，冯 阳2，张如全1*

（1.武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430200；2.江苏奥凯环境技术有限公司，江苏 靖江 214500）

为了探索出一种具有优良吸音性能的车用衣帽架配比工艺，在聚丙烯纤维、玻璃纤维中加入少量的玄武岩纤维，使之进行不同比例的配比，控制实验的变量热轧温度、热压辊速度、热轧压力，根据四组分四因素设计正交试验L16（44），制得初步衣帽架。对衣帽架进行吸音系数、强力及顶破强力的测试分析。实验表明：配比度在聚丙烯：玻璃纤维：玄武岩纤维=45%：50%：5%，热轧温度为200℃，热压辊转速为4r/min，热轧压力为10MPa时，衣帽架吸声性能最好；当纤维的配比度PP：玻璃纤维：玄武岩纤维=40%：50%；10%时，且热轧温度温度为200摄氏度，热轧辊转速为3转/min，热轧的压力为11MPa时，所制得的针刺非织造材料经热轧后的断裂强力最高。

针刺非织布；热轧非织布；汽车衣帽架；吸音测试；汽车内饰非织造布

当今社会，随着经济的发展，人的生活水平逐渐提高，汽车作为一种日常交通工具越来越普遍。人们生活质量的提高，对汽车环境越加严格，对汽车的外观及舒适度有更高的追求。在汽车的内饰产品中，越来越注重纺织品[1]。不同的纤维有其不同的特性，有其优点也有缺点，因此将不同的纤维进行不同的比例的混合，通过针刺加工制成纤维的复合毡，就有可能弥补各自纤维性能的不足，从而发挥它们的优良特征，以满足生产生活所需。在汽车内饰领域，非织造纤维复合毡被广泛应用。

以前制作汽车衣帽架的材料主要是聚丙烯纤维和玻璃纤维，与之相比，本文加入了部分玄武岩纤维。玄武岩纤维作为一种高性能并且无机绿色环保的纤维，主要由氧化钙、氧化铝及二氧化硅组成。玄武岩纤维有许多优良性能，包括它的隔音性能、耐高温性能、抗压缩强度、抗腐蚀性、电绝缘性及其稳定性[2-3]。而且，在加工制得玄武岩纤维的过程中，不会对环境产生二次污染，生产过程中的废弃物都能重复利用或自然降解，对环境几乎没有危害，是一种无机环保的绿色原料[4]。非织造纤维复合毡由于其加工工艺，表现出多孔、柔软而且具有弹性的网状结构，在作为一种吸声隔音的材料有其独特的优势；而且，非织造纤维复合毡加工工艺简便快捷，适合大规模生产，原料范围广，产量较高，工艺变化多，因此，针刺非织造纤维复合毡在作为一种吸声材料领域具有美好的发展前景[5]。本文通过对多纤维不同组分的配比来试验探究出一种最适合的配比方案，使其满足于制作车用衣帽架及其各方面性能。

1 实验部分

1.1 实验原料及设备

本次实验采用的原料有三种，包括聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，通过对这三种纤维采取不同浓度比例的配比，然后进行开松--混合--梳理成网--针刺加固--热粘合加固一系列工艺流程制得衣帽架。实验所用的仪器设备包含了开松机、混棉机、梳理机、针刺机、热轧机、AWA6128驻波管、YG026B织物强力仪、剪刀、电子天平、YG031D型粒子强力顶破仪等。

1.2 原料配比及变化因素

根据实验原料的配比以及实验的工艺参数的变化，作出纤维配比度、热轧温度、速度、压力的因子水平表。正交试验的设计就是为了简化实验的次数，从整体的实验中选出其中有特点有代表性的点，然后进行实验分析，是一种分析因式的方法，高效快捷，避免了冗长繁缛的实验过程。要满足制得的衣帽架具有基本的强度及其他特性以及价格的经济性，因此选用材料中玻璃纤维占50%，以保证制得的衣帽架能具有基本强力性能。玻璃纤维是一种无机非金属纤维，耐热性强，聚丙烯纤维的熔点在170-190摄氏度，为使在热粘合加固中部分纤维能够熔融和其他纤维粘结在一起，所选用的温度水平在190-220摄氏度。在实际的实验过程中，根据实验的仪器以及场地环境确定热轧辊转速在3-6r/min，压力在9-12MPa（见表1）。

表1 因子水平表

1.3 正交实验表

所采用的正交表简记为L16（44），L表示正交表，右下角小标“16”表示实验的次数为16次，括号内左边的“4”表示各因子有4个水平数，右上角的小标“4”表示实验中有4个因子数。

（1）表头设计结果（见表2）

表2 表头设计

表3 正交试验表

（2）实验设计结果

根据实验过程中的四种变量及其变量的四种水平数，设计得出如下正交试验表（表3）。

1.4 衣帽架的制备

根据设计好的正交试验表，按照各组分的实验变量调节各因子的水平，经过开松、混合、梳理成网、针刺加固及热粘合加固后，制得车用衣帽架。依次做16组实验，制得16种不同纤维配比或不同工艺参数的衣帽架。然后对它们进行性能测试，对比得出性能最优的一组衣帽架。

1.5 性能测试

吸音性能的测试在AWA6128驻波管中进行，吸声系数是描述一种材料吸声本领的物理量，即：一种材料吸收的声能的量与环境中放出的声能的总量的比值，就叫作吸声系数，一般用字母a表示，吸声系数的比值越大说明材料的吸声性能越好。AWA6128驻波管吸声系数测试仪用来测试吸声系数的特点是：声波垂直射向吸声材料，测出其吸声系数。吸声系数测试仪会通过测得到的声波峰声级和谷声级值主动计算生成出吸声系数及其吸声系数与声波频率的曲线图。在仪器中放入吸声材料后，声波的幅度和频率可以在适当的区域中调节，不用一直更换材料，该测试仪对吸声性能的测试非常方便适用。强力性能测试在YG026B织物强力机上，顶破强力性能测试在YG031D型粒子强力顶破机上进行。在测试每种性能时，都将该组实验样布剪成对应的测试的样品大小，重复测试同一样布的3-4块样品，记录所测数据。

吸声系数：α=Eα/Eα=(Ei-Er)/Ei=1-r

式中：Ei为入射声能；Eα为被材料或结构吸收的声能；Er为被材料或结构发射的声能；r为反射系数。

2 结果与讨论

2.1 多组分纤维对吸声系数的影响

纤维的配比浓度、工艺参数都会对制得的衣帽架吸音性能产生影响。根据正交试验的极差分析法，计算得出各个实验样布的平均值K，并得出极差值。将计算的出的水平数以及极差数整理出来，作出如表4极差分析表以及极差图（图1）。

表4 吸音系数极差分析表

由表4可以得到各因素在不同水平数时的吸音系数值，图1表明了各因素的极差值大小，可以看到在A纤维的配比度变化时，吸音系数波动最明显；在D压力时，吸音系数波动最平缓。因为针刺非织造布的主要原料是各种纤维，是纤维经开松混合梳理针刺热轧加固工艺后得到的复合毡，在纤维复合毡中纤维以不同的形式存在，它们的连接纠缠方式也不同。因此在纤维复合毡中存在着许多的孔隙，多孔蓬松的材料吸声系数较好。当声波射向针刺材料时，由于孔隙较多，声波会引起孔隙内的空气震动，其中部分震动部分不易震动导致空气摩擦，所以入射的声能部分转为热能从而使入射的声能降低，这样就消耗掉了部分声能。由于不同的纤维配比度制得的纤维网的内部结构不同，导致纤维网有不同的吸声性能。

图1 各因素吸声系数极差图

2.2 多组分纤维配比对织物强力影响

将每组样布进行3次重复的测试实验，记录测试的三组数据，然后计算其平均值，就是该组样布的强力值。然后根据正交试验的数据分析方法极差法，算出各因素在各个水平数时的平均值及极差值，然后绘制如图2和表5。

由表5可以知道各因素不同水平的强力平均值及极差值，图2可以很直观的反映各因素的极差值大小，可以看出在A纤维的配比度时，对衣帽架的强力影响最大，其次是B热轧温度、C热轧辊转速，最后是D热轧压力。影响非织造布强力的因素主要包括纤维的强力，纤维间的抱合力及摩擦力，纤网的均匀度等。纤维的配比不同导致纤维的成网质量不同，纤维网的一系列性能如强力就会有差异，而且经热轧加固时，热轧温度使部分纤维熔融，熔融的纤维流经附近纤维使之粘连结合，使纤维间的抱合力更强，强力更大。但是温度过高时会导致纤维网变焦变脆，强力反而会降低。

表5 强力极差分析表

2.3 多组分纤维配比对织物顶破强力的影响

每组样布进行3-4次重复测试，记录数据并求出平均值即为该组样布的顶破强力值。然后根据正交试验极差分析法计算得出一系列数据记录绘制成如图3和表6。

图2 强力极差图

表6 顶破强力极差分析表

表6具体明确的计算出了各因素在各水平时的顶破强力平均数及极差值，图3直观的反映了各因素的极差值大小，看出在B热轧温度时，对衣帽架的顶破强力影响最大，其次是D热轧压力、A纤维配比浓度，最后是C热轧辊转速。影响非织造布顶破强力的因素有纤维的断裂强力及伸长率，纤网的均匀度，纤维间的作用力及一系列加工工艺。若纤维的断裂强力和伸长率越高、纤维间的抱合力摩擦力越大，则非织布的顶破强力就越高。影响纤维间作用力大小的主要因素是热轧温度、热轧压力及纤维的种类配比。热轧时，熔点低的纤维熔融然后粘结周围的纤维，增加纤维间作用力，纤网的顶破力越高。

图3 顶破强力极差图

3 结论

（1）当纤维的配比度PP：玻璃纤维：玄武岩纤维=45%：50%：5%时，热轧温度为200摄氏度，热压辊速度为4转/min，热轧压力为10MPa时，所制得的针刺非织造材料经热轧机热轧后的吸声系数最好；

（2）当纤维的配比度PP:玻璃纤维：玄武岩纤维=40%：50%；10%时，且热轧温度温度为200摄氏度，热轧辊转速为3转/min，热轧的压力为11MPa时，所制得的针刺非织造材料经热轧后的断裂强力最高；

（3）当纤维的配比度PP:玻璃纤维：玄武岩纤维=35%：50%：15%时，且热轧温度为190摄氏度，热轧辊速度为4转/min，热轧压力为10MPa时，所制得的针刺非织造材料经热轧机热轧后的顶破强力最高。

根据上述三种性能测试的结果可知，纤维的配比度是影响汽车衣帽架各种性能中最主要的因素，其次是热轧的温度也对衣帽架的性能有很大影响。综合上述三种性能测试中的最优组合，可以得出：当纤维的配比度PP：玻璃纤维：玄武岩纤维=40%：50%：10%时，且热轧的温度为200摄氏度，热压辊转速为4r/min，热轧压力为10MPa时，用这种组合因素方式经针刺热轧制得的衣帽架材料具有最优的综合性能。

[1] 杜兆芳，胡凤霞，赵淼淼，等．汽车内饰材料的吸声性能[J]．纺织学报，2011，6(32)：45-47．

[2] 宋秋霞．玄武岩/苎麻纤维混杂增强聚丙烯热塑板的开发[D]．天津：天津工业大学，2010，9(2)：33-35．

[3] J L Thomason．The influence of fiber length and concentration on the properties of glass fiber reinforced polypropylene：Interface strength and fiber strain in injection molded long fiber PP at high fiber content[J]．Applied science and manufecuring，2007，38(1)：210-216．

[4] 王凤，陈阳，李振伟．连续玄武岩纤维及其复合材料的研究[J]．玻璃钢与复合材料，2012，6(2)：34-38．

[5] 邱菊生，钟智丽，石磊．纤维组分比例对玄武岩/聚丙烯复合材料力学性能影响的研究[J]．天津工业大学学报，2010，5(3)：48-51．

Multicomponent Fibre Composition Process Effect the Properties of Automotive Coatrack

MIAO Te1，FENG Yang2，ZHANG Ru-quan1

(1.Shool of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430200 China；2.Jiangsu Aokai Environmental Technology Co. Ltd., Jingjiang Jiangsu 214500 China)

In order to explore a kind of excellent sound-absorbing performance of vehicle coatrack matching technology, the experiment added a small amount of basalt fiber in polypropylene fibers and glass fibers, so that the ratio of different proportions was ensured. Then the variables of experiment: hot rolling temperature, hot roll speed, hot rolling pressure were under control. According to the four components of four factors, the experiment designed orthogonal test L16(44) and made a preliminary coatrack. By testing the coatrack’s sound absorbing, strength and bursting strength, we got a conclusion that when the ratio of polypropylene: glass fiber, basalt fiber is 40% : 50% : 5%, hot rolling temperature is 200 ℃, hot pressing roller speed is 4 r/min and hot rolling pressure is 10 MPa, the coatrack has the the best sound absorption performance. When the matching degree of PP fiber: glass fiber, basalt fiber = 40% : 50%; 10%, and hot rolling temperature is 200 degrees Celsius temperature, hot roll speed for 3 r/min, the pressure of the hot rolling of 11 MPa, the prepared needle punched nonwovens have the highest breaking strength after hot rolling.

needle punched nonwovens; hot rolled nonwoven fabric; car coatrack; acoustic test; automotive interior nonwovens

TS174.5

A

2095－414X(2017)03－0030－05

张如全（1966-），男，教授，研究方向：智能纺织品，功能非织造布.

湖北省自然科学基金重点项目（2013CFA090）；武汉纺织大学产学研项目（162038）.